3D打印与“芯片上的实验室”- 汶颢股份
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3D打印与“芯片上的实验室”

“芯片上的实验室”(Lab-on-a-Chip)又被称为微流控芯片(Microfluidics Chip),如果从这两个以不同角度来命名的技术名称上理解微流控芯片,我们可以把这一技术形象的理解为一种用芯片来实现实验室功能的技术,也就是说在一个数十平方厘米甚至更小的芯片上将样品的预处理、进样、混合、反应、分离和检测等实验室操作与相关功能集成在一起,并以微通道网络贯穿各个实验环节,从而实现对整个实验系统的灵活操控,承载传统化学或生物实验室的各项功能。

近年来,微流控芯片技术在生命科学、医学诊断、分析化学等领域得到了快速发展。目前,3D打印技术在微流控芯片制造中的应用虽处于早期阶段,但在这一领域的应用也得到了快速发展。

1. 集成化、微型化、即时生产

微流控芯片的制造材料主要有硅、玻璃石英、高分子聚合以及纸基,其中高分子聚合物材料由于成本低、种类多,便于实现大批量生产,已成为了微流控芯片制造的主要材料,其中常用的材料有聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)、聚苯乙烯(polysty-rene,PS)和环烯烃共聚物((cycloolefincoplymer,COC)等。

目前,用于制作微流控芯片的微加工技术大多继承自半导体工业,其加工过程工序繁多,且依赖于价格高昂的先进设备。常用的加工方法包括:在微流控芯片的表面微加工、软印、压印 、注射成型、激光烧蚀等。这些加工过程需要在超净间内完成,并且工序复杂,所需空间也大,对设计与加工人员的经验依赖度高。

与半导体加工领域尝试用3D打印这种增材制造技术进行电子元件的直接快速成型的应用类似,近年来微流控芯片制造的研发与制造领域也逐渐引入了3D打印技术。在2010年以前,基于材料喷射的Polyjet 3D打印技术最先被用于3D打印微流控芯片的制造领域,在应用时首先通过该技术打印出模具,然后再用PDMS材料倒模制造出微流控芯片。2011年以后,通过3D打印技术直接一次性成型制造微流控芯片的应用逐渐出现。与使用3D打印设备直接打印出传感器等电子元件的方式类似,3D打印设备可以进行微流控芯片的直接一次性成型。

微流控芯片3D打印技术

直接制造微流控芯片的工艺主要包括光聚合工艺和材料挤出工艺,这些工艺所制造的微流控芯片以高分子聚合物的芯片为主。在光聚合工艺领域,微纳级的3D打印技术已被用于微流控芯片制造中。例如深圳摩方材料与德国Nanoscribe 公司的纳米级3D打印技术。摩方科技采用了源自麻省理工学院的PμLSE(面投影微立体光刻)技术,Nanoscribe公司采用的是双光子聚合(TPP)技术。

3D打印微流控芯片

图片来源:ASME

此外,2017年美国杨百翰大学的一组科研团队研发出一种用于聚合物微流控芯片制造的微纳级3D打印技术-数字化处理光固化立体造型(DLP-SLA)技术。用该技术打印的芯片尺寸小于100微米,其流体管道横截面小至18微米×20微米。研究团队表示,这台打印机使用了385纳米的LED,具有更高的打印分辨率,打印材料为特别设计的低成本的定制树脂,在30分钟内就可以打印出一个微流控芯片。这个3D打印技术可以挑战现有的微流体原型设计和开发所用的软光刻技术和热压技术。

除了聚合物微流控3D打印技术,部分陶瓷3D打印技术已被用于打印陶瓷微流控芯片。参考:3D打印陶瓷微系统推进微流控芯片或人体器官芯片应用

除了上图中列举的3D打印技术之外,还有学者在进行科学研究时利用生物3D打印机,即将含有几种不同细胞的生物墨水打印到微流控芯片的微反应器上,从而制成多器官微流控芯片。参考:生物3D打印技术开发的多器官微流控芯片。3D打印在纸基微流控芯片制造领域的应用也得到了发展。

这些3D打印技术所具有的优势各不相同,因此每种技术适合制造的微流控芯片种类也有所差异。比如说FDM技术较适合制造精度要求不高的微流控芯片,而DLP、TPP等这种基于光聚合工艺的3D打印技术则更适合制造精度要求高的微流控芯片。另外,在实际应用时,还需要结合各种技术的设备成本、材料成本、打印效率以及后处理的成本与效率等因素,综合考虑选择哪种3D打印技术。

总体来说,传统的微流控芯片制造技术属于劳动密集型的产业,将3D打印技术用于制造微流控生物芯片可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造,有利于设计的快速迭代,提高了基于微流控研究的跨学科性,并加速创新。目前,3D打印技术在微流控芯片制造中的应用尚处于早期阶段,其应用以芯片研发、设计验证为主。那么,未来3D打印是否会全部替代传统的微流控芯片制造工艺呢? 在3D科学谷看来,这些技术将长期同时存在与发展,3D打印技术将在集成化程度高、微型化以及即时诊断微流控芯片的生产领域将发挥更大的价值。

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